Физики впервые обнаружили вещество, в котором при переходе в сверхпроводящее состояние возникает магнитное поле, при этом соединение — дителлурид урана UTe2 — не обладает магнитным порядком вне сверхпроводящей фазы, что делает его исключительным. Вещество с такими свойствами может оказаться исключительно востребованным в области квантовых компьютеров, пишут авторы в журнале Science.
Сверхпроводимость — это макроскопическое квантовое явление, которое заключается в фазовом переходе некоторых веществ при низких температурах в новое состояние с нулевым электрическим сопротивлением. Существует несколько разных типов сверхпроводников. Простейшими из них являются некоторые чистые металлы, свойства которых меняются вблизи абсолютного нуля, и их поведение хорошо описывается теорией Бардина—Купера—Шриффера (БКШ).
Существует обширная и неоднородная группа нетипичных сверхпроводников, для которых полноценного теоретического описания пока не предложено. Исследование этих веществ относится к одной из основных и самых активных областей физики конденсированного состояния, так как большинство сверхпроводников с рекордно высокими критическими температурами являются именно нетипичными. Отсутствие всеобъемлющей теории не позволяет систематически искать вещества со все лучшими параметрами, приближаясь к крайне желаемому в технологическом смысле сверхпроводнику с критической температурой выше нуля градусов по Цельсию при обычном давлении.
Одним из наиболее необычных сверхпроводников являются ферромагнитные сверхпроводники, для которых свойственно сосуществование этой квантовой фазы вещества и собственного магнитного поля. Такая комбинация вызывает интерес, так как в обычной ситуации вещества в таком состоянии выталкивают магнитное поле из собственного объема, оно мешает появлению сверхпроводимости и полностью препятствует ее возникновению выше критического значения. Еще одной особенностью является то, что большинство известных ферромагнитных сверхпроводников — это соединения урана, такие как UGe2, URhGe и UCoGe.
Как и во многих других «нетрадиционных» случаях, общая теория ферромагнитной сверхпроводимости пока не создана. Физики пытались по-разному описать это явление, но в последнее время наибольшее развитие получила гипотеза триплетной сверхпроводимости.
Считается, что любая сверхпроводимость связана со способностью групп электронов объединяться, что позволяет им терять фермионную сущность и приобретать свойства бозонов. В результате на них перестает действовать принцип запрета Паули, и они все могут занять наинизшее энергетическое состояние, в котором перемещаются без рассеяния на кристаллической решетке. В обычных сверхпроводниках, описываемых теорией БКШ, электроны с противоположными спинами объединяются по двое, то есть формируют куперовские пары, которые являются бозонами с нулевым спином — синглетом. Триплетная сверхпроводимость предполагает, что возможно спаривание электронов с однонаправленными спинами, что порождает три возможных собственных состояния со спином равным единице.
В статье под руководством Николаса Буча (Nicholas Butch) из Национального института стандартов и технологий США и его американских коллег описаны свойства нового соединения урана, в котором подозревают сверхпроводимость по триплетному механизму, — дителлурида урана UTe2. Как и другие ферромагнитные сверхпроводники, UTe2 исключительно устойчив к магнитному полю и выходит из квантового состояния только при полях свыше 40 тесла (примерно в миллион раз мощнее поля Земли), в то время как для чистых веществ критическое поле, как правило, не выше одного тесла и только для сложных соединений из класса YBCO требуются более сильные поля.
Однако UTe2 уникален сразу по нескольким параметрам: для него характерна существенно более высокая критическая температура, чем у других ферромагнитных сверхпроводников (1,6 кельвина против не более 0,8), и, что более важно, в обычном состоянии он является парамагнетиком, а не ферромагнетиком как все другие. Парамагнетик отличается от ферромагнетика отсутствием магнитного порядка и, следовательно, отсутствием собственного магнитного поля. Если нагреть ферромагнетик выше точки Кюри, то тепловые флуктуации не позволят установиться магнитному порядку и вещество станет парамагнетиком. Изученное соединение урана обладает магнитным порядком только вместе с сверхпроводимостью.
Получается, что UTe2 в норме не обладает собственной намагниченностью, в нем только в присутствии внешнего поля может возникать наведенная, но в сверхпроводящей фазе у него появляется собственное поле. Авторы считают, что UTe2 демонстрирует подходящие свойства для построения некоторых типов квантовых компьютеров. В частности, способность сохранять сверхпроводящее состояние в присутствии внешнего магнитного поля должно обеспечивать устойчивость к ошибкам в случае использования UTe2 в качестве материала для сверхпроводящих кубитов.
Недавно физики увидели топологическую сверхпроводимость в материале на основе железа и нашли в новом сверхпроводнике на основе селенида висмута необычный магнитный эффект. Отдельный интерес в контексте сверхпроводимости представляет графен — например оказалось, что квантовым состоянием сверхрешетки из трехслойного графена можно управлять.
Тимур Кешелава